ضوابط طراحی مهاربند همگرای ویژه (scbf) به همراه نیروهای متوازن کننده در ایتبس

مهاربند همگرای ویژه یا همان scbf چیست؟

مطمئنا این نکته را تایید می کنید که مهاربند های همگرا به عنوان یکی از انواع سیستم های سازه ای در طراحی سازه های فولادی به فور استفاده می شوند اما آیا مهاربند همگرا به عنوان یک فیوز سازه ای عمل می کند؟ آیا طراحی مهاربند همگرای ویژه در  نیازی به کنترل دارد؟ اتصالات مهاربند به تیر و ستون باید برای چه بارهایی طراحی شوند؟

در این ایبوک جامع 28 صفحه ای طراحی مهاربند همگرای ویژه فولادی به صورت دستی و با با حل 2 مثال جامع خواهیم داشت و در نهایت به کنترل نیرو های نامتوازن کننده در ایتبس می پردازیم.

در این صفحه تنها خلاصه ای از این ایبوک بیان شده است، متن اصلی این ایبوک جامع را منطبق بر فهرست مطالب دانلود کنید.

مهاربند همگرای ویژه چیست؟

خسارت شدید مهاربندهای همگرای معمولی در زلزله هایی از قبیل لوما پریتا ۱۹۸۹، نورثریج ۱۹۹۴ و مکزیکو ۱۹۸۵ که ناشی از سختی بالای این نوع مهاربندها و شکل­ پذیری نامناسب آن­ها بود منجر به بازبینی در طراحی این سیستم­ ها شد. در نتیجه پس از وقوع این زلزله­ ها مهاربندهای همگرای ویژه معرفی شدند. بند 10-3-11 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در این مورد توضیح می­ دهد:

همان طور که از توضیحات این بند آیین‌ نامه پیداست، طراحی قاب مهاربندی همگرای ویژه ‌بر این پایه استوار است که اعضای مهاربندی (المان­ های مورّب) از حداکثر ظرفیت پلاستیک خود استفاده کنند؛ به ­طوری­که تیرها و ستون‌هایِ دهانه مهاربندی همچنان در ناحیه الاستیک باقی بمانند. این بدان­ معناست که ضوابط خاصی باید برای اعضای مهاربندی در نظر گرفته شود که در ادامه به آن‌ ها می­ پردازیم.

تفاوت مهاربند همگرای معمولی و ویژه

هولناک ترین معضل برای اعضای مهاربندی، پدیده کمانش می باشد که برای یک عضو تحت فشار ممکن است اتفاق بیفتد. مهاربند ها بسته به معمولی یا ویژه بودنشان دو نوع رفتار ممکن است داشته باشند. چون از مهاربندهای معمولی انتظار رفتار فرا ارتجاعی محدودی داریم در نتیجه پس از کمانش، این مهاربندها ظرفیت باربری خود را از دست داده و دچار ضعف شدیدی در تحمل نیروی فشاری می شوند؛ در صورتی که مهاربندهای همگرای ویژه در حکم فیوز سازه ای بوده و بعد از کمانش ، رفتار غیر ارتجاعی خوبی از خود نشان می دهند. پس از رخداد کمانش با تشکیل مفصل پلاستیک در سه نقطه از مهاربندها، ظرفیت باربری مهاربند حفظ شده و عضو هنوز هم می تواند با شکل پذیری خود در برابر نیروهای زلزله مقاومت کند.

 علاوه بر تفاوت رفتاریِ مهاربندهای معمولی و ویژه، اعضای این مهاربندها در طراحی نیز با هم تفاوت دارند:

• به دلیل تفاوت در نیروی زلزله که به علت وارد کردن ضریب زلزله های متفاوت ایجاد می شود، این مهاربندها شکل پذیری های متفاوتی از خود نشان می دهند؛ به این صورت که مهاربند معمولی دارای ضریب رفتار کمتری(۳/۵) بوده در نتیجه ضریب زلزله و نیروی زلزله بیشتری را در طراحی برای آن متصوریم در صورتی که مهاربند ویژه ضریب رفتار بیشتری(۵/۵) و نیروی زلزله کمتری دارد. پس این کمتر در نظر گرفتن نیروی زلزله برای مهاربند ویژه باعث می شود سبک تر و شکل پذیرتر طراحی شود و رفتار خوبی در زلزله از خود نشان دهد. و این رفتار خوب به واسطه تشکیل مفصل پلاستیک در سه نقطه از طول مهاربند رخ می دهد.
• تفاوت بعدی اعضای مهاربندی در فشردگی مقاطع آن ها می باشد (مبحث دهم مقررات ملی ساختمان)

مزایای مهاربند ویژه نسبت به مهاربند معمولی :

کمانش اعضای بادبندی در مهاربند همگرای معمولی منجر به کاهش باربری و شکل­ پذیری محدود این سیستم می­ شود. در نتیجه این سیستم­ ها ایمنی جانی را آنچنان که باید تامین نمی­ نمایند. درصورتی که برای قاب­ مشابه با مهاربند ویژه، تشکیل مفصل پلاستیک در اثر کمانش و نهایتا وقوع خرابی پس از سیکل­ های بارگذاری بیشتر، تامین ایمنی جانی را به همراه دارد. در واقع استفاده از مهاربند همگرای معمولی در سازه های بلند تر از ۴ طبقه در مناطق با لرزه خیزی بالا توصیه نمی شود؛ که این خود محدودیت بزرگی محسوب می شود. مهاربند شکل­ پذیر نه تنها موجب بهبود رفتار لرزه ­ای سازه می­ شود بلکه از لحاظ اقتصادی نیز کاهش در وزن ستون­ ها و مهاربندها منجر به سبک ­تر شدن فونداسیون می­ شود.

استفاده از مهاربند همگرای ویژه علاوه بر کاهش برش پایه ساختمان و افزایش شکل پذیری منجر به کاهش سختی سازه به مقدار ناچیزی نسبت به همگرای معمولی می شود.

اساساً زمانی که از مقایسه چند سیستم باربر جانبی بحث می شود، مبانی این مقایسه چیست؟

به استناد مبحث دهم از مقررات ملی ساختمان، معیارهایی مثل

• پایداری
• سختی
• مقاوت
• شکل پذیری
• …

(درحوزه الزامات عمومی طراحی و دربخش الزامات طراحی لرزه­ ای) را می توان پارامترهای مناسبی برای مقایسه درنظر گرفت. به ویژه آن که موارد مهمی از قبیل ضریب رفتار و متعاقباً برش پایه تا حد بسیار زیادی از معیارهای فوق تاثیر می پذیرند.

ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای مهاربندهای همگرای ویژه

کنترل فشردگی مقاطع اعضای قاب مهاربندی‌شده

طبق بند 10-3-11-1 قسمت ب مبحث دهم مقررات ملی ساختمان :

این بند آیین نامه برای مهاربندهای ضربدری و شورون 7و 8 صادق است.

لاغری مهاربندهای ضربدری، شورون 7 و 8

طبق بند 10-3-11-1 قسمت ث مبحث دهم مقررات ملی ساختمان:

K = ضریب طول موثرکمانش عضو مهاربندی که در صفحه مهاربندی برابر 0.5 و در خارج از صفحه 0.7 در نظر گرفته می­شود.

L = طول عضو مهاربندی

R = شعاع ژیراسون عضو مهاربندی

 اگر عضو مهاربندی از چند نیم‌رخ تشکیل‌شده باشد

طبق بند 10-3-11-1 قسمت ج مبحث دهم مقررات ملی ساختمان:

بنابراین باید:

a=  فاصله بین اتصال‌دهنده‌ها یا لقمه‌ها

r_min= حداقل شعاع ژیراسیون تک نیم‌رخ مهاربند

فلسفه این بند آیین‌ نامه این است که اگر حین زلزله دو نیم­ رخ از یکدیگر جدا شدند، مهاربند با تک­ پروفیل کمانش نکند. تعداد لقمه‌ ها نباید از دو عدد کمتر باشد این بدان معناست که حداقل دو عدد لقمه در اول و آخر مهاربند (یکی قبل از یک چهارم میانی یکی نزدیک محل اتصال به فاصله d (عمق مقطع) از آن­ها) تعبیه شود که در فاصله یک‌ چهارم میانی طول مهاربند نباید از لقمه استفاده کرد (شکل1).

ذکر این نکته ضروری است­که ­ناحیه یک‌ چهارم میانی عضو مهاربندی و دو ناحیه انتهایی دو عضو مهاربندی (تبصره بند 10-3-2-2 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان) به طول حداقل ارتفاع مقطع آن ناحیه بحرانی یا ناحیه حفاظت شده تلقی می­شود. ناحیه محافظت شده ناحیه ای از عضو است که انتظار داریم در آنجا مفصل پلاستیک ایجاد شود. با توجه به اهمیت این ناحیه و رفتار حساس آن در حرکات رفت و برگشتی قاب، این محل باید عاری از هرگونه عملیاتی که در رفتار آن اثر ناخواسته ایجاد کند، باشد.(عملیاتی از جمله؛ به کاربردن وصله­ های پیچی و جوشی، ناصافی­ های ناشی از برش حرراتی) ضوابط این ناحیه بحرانی در مهاربندها مانند ناحیه بحرانی تیر در قاب‌های خمشی متوسط و ویژه است. همچنین به‌ منظور جلوگیری از تقویت مقطع که می­تواند تشکیل مفصل پلاستیک را به تأخیر بیاندازد، اتصال‌ دهنده‌ها نباید در یک چهارم میانی طول آزاد مهاربندی قرار بگیرند.

شکل 1- ناحیه حفاظت شده در مهاربندهای همگرای ویژه

شکل 2- استفاده نادرست از لقمه ها در ناحیه حفاظت شده

مجموع مقاومت‌های برشی طراحی اتصال‌ دهنده‌ ها (لقمه‌ها) باید برابر یا بیشتر از مقاومت کششی طراحی هرعضو مهاربندی باشد. تا زمانی که مهاربند به ورق اتصال متصل است، نیرویی که مطابق شکل زیر به مهاربند وارد می­ شود، مهاربند را به کشش وادار می­کند و به لقمه­ ها نیروی برشی ­ای وارد نمی­ شود، اما زمانی­که از یک‌طرف یکی از نیم‌رخ‌ های مقطع مهاربند از ورق اتصال گوشه (Gusset Plate) جدا شود، این نیرو باید از طریق برش بین دو نیم‌رخ و از طریق اتصال‌ دهنده‌ها تحمل شود. (شکل 3)

شکل 3 – مقاومت برشی لقمه‌ها

ضوابط تیرهای دهانه مهاربندی‌شده

عدم ایجاد سوراخ در جان تیر

طبق بند 10-3-11-1 قسمت چ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان از ایجاد سوراخ‌های متوالی در جان تیرهای دهانه مهاربندی‌ شده با هر نوع مهاربندی از جمله ضربدری و شورون 7 و 8 مجاز نیست. در صورت نیاز به تعبیه سوراخ دسترسی به جان تیر، اطراف آن باید به نحوی تقویت شود که مقاومت‌های طراحی در مقطع سوراخ‌ دار از مقاومت مقطع بدون سوراخ تیر کمتر نباشد. این بدان معناست که در این دهانه‌ها استفاده از تیر لانه‌ زنبوری مجاز نیست. و همچنین در این تیرها از اتصال­ های پیچی تیر فرعی به جان تیر (به­ دلیل ایجاد سوراخ) باید خود داری کرد.

پیوستگی تیرها

طبق بند 10-3-11-1 قسمت د مبحث دهم مقررات ملی ساختمان داریم:

طبق بند 10-3-11-1 قسمت د مبحث دهم مقررات ملی ساختمان تیرهای حد فاصل بین دو ستون در دهانه‌های مهاربندی 7 و 8 باید پیوسته باشند(وصله اتصال نداشته باشند)؛ علت این امر امکان ایجاد مفصل پلاستیک در تیر در محل اتصال مهاربندها، جهت اتلاف انرژی بیشتر است.

وجود مهار جانبی در تیر

برای جلوگیری از کمانش پیچشی-جانبی تیر، وجود حداقل یک جفت مهار جانبی در محل اتصال مهاربندها به تیر لازم است.(شکل4)

شکل4 – مهار جانبی تیر دهانه مهاربندی شورون 8

ضوابط طراحی مهاربند همگرای ویژه فولادی

اگر به بند 10-3-11-2 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان توجه کنید متوجه خواهید شد که برای طراحی تیرها و ستون‌ها و اتصالات آن‌ها در دهانه‌های مهاربندی ‌شده با مهاربند همگرای ویژه، باید ابتدا این اعضا را تحت اثر بارهای ثقلی و جانبی وارد بر آن تحلیل و طراحی کرده و سپس بند مذکور از آیین‌نامه را برای سازه­ ی نهایی کنترل کرد.

شاید این سؤال در ذهن شما پیش آید که آیا میتوان همان اول با نیروهای این بند آیین‌نامه اعضا را طراحی کنیم که جوابگو باشد؟ در جواب باید گفت نیروهای این بند آیین‌ نامه برای زمانی است که مهاربندها به حداکثر مقاومت کمانشی و کششی خود رسیده‌اند و این مقادیر بیشترین نیرویی است که مهاربندها می­ توانند تحمل کنند، پس اگر با این نیروها مقاطع اعضا را طراحی کنیم، طراحی غیر اقتصادی می­ شود.

برای درک بهتر این بند آیین‌نامه به شکل زیر دقت کنید.

ادامه توضیحات را در متن اصلی ایبوک که در پایان همین صفحه می توانید آن را دانلود کنید قرار داده شده است .

ضوابط طراحی اتصال مهاربند همگرای ویژه به تیر و ستون

طبق بند 10-3-11-3 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان اتصالات مهاربند به تیر و ستون باید برای بارهای زیر طراحی شوند اما در این بین کدام نیرو بحرانی تر است و کدام یک کنترل کننده؟ جواب این سوال را به همراه توضیحات بیشتر در متن اصلی ایبوک بیان خواهیم کرد

کنترل نیروهای نامتوازن کننده  مهاربند همگرای ویژه در ایتبس

در اینجا تنها به صورت خلاصه مثالی را که در ایبوک آمده است را بیان کرده ایم؛ فرض کنید قاب زیر در نرم ‌افزار ایتبس مدلسازی، آنالیز و طراحی‌شده است:

برای اینکه نیروهای نامتوازن کننده را محاسبه و به تیرهای متصل ­به مهاربند اعمال کنیم، قبل از هر چیز باید جلوی حرکت جانبی قاب را بگیریم اما علت این کار چیست؟

برای این­که قاب حرکت جانبی نداشته باشد، باید با ایجاد قید های جانبی جلو حرکت جانبی قاب را بگیریم. برای این کار ابتدا یک گره از هر طبقه را با کلیک بر روی آن­ها، مانند شکل زیر، انتخاب و سپس مسیر Assign > Join>Restrains را خواهیم پیمود.

 باقی مراحل کنترل نیرو های نامتوازن کننده  مهاربند همگرای ویژه در  etabsرا می توانید به صورت مفصل در ایبوک مطالعه کنید.

منابع:

1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان
2. دستور العمل الزامات تکمیلی طراحی سازه فولادی، شهرداری شیراز

1. مهاربند همگرای ویژه چیست؟
2. تفاوت مهاربند همگرای معمولی و ویژه
3. مزایای مهاربند ویژه نسبت به مهاربند معمولی :
4. ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای مهاربندهای همگرای ویژه
5. کنترل فشردگی مقاطع اعضای قاب مهاربندی‌شده
6. لاغری مهاربندهای ضربدری، شورون 7 و 8
7. ضوابط تیرهای دهانه مهاربندی‌ شده
8.  طراحی مهاربند همگرای ویژه فولادی
9. طراحی اتصال مهاربند همگرای ویژه به تیر و ستون به همراه مثال
10. کنترل نیروهای نامتوازن کننده  مهاربند همگرای ویژه در ایتبس

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب